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機器人會模仿人類微笑了,但我總覺得這笑容……

新聞 人工智能
哥倫比亞大學(Columbia Engineering)創(chuàng)意機器實驗室(Creative Machines Lab)的研究人員一直對機器人與人類之間的互動感興趣。

本文經(jīng)AI新媒體量子位(公眾號ID:QbitAI)授權轉載,轉載請聯(lián)系出處。

機器人只能用一張撲克臉、上面兩只空洞的塑料珠子來面對人類嗎?

不一定,它也可以沖你微笑

下面這個擁有著柔軟面部的“小藍人”,可以模仿人類的微笑等表情。

就像這樣:

機器人會模仿人類微笑了,但我總覺得這笑容……

“尬笑”、“齜牙咧嘴”……一改機器人“冷若冰霜、呆若木雞”的形象。

可一向由金屬或硬塑料制成的機器人,是如何露出微笑的呢?

由線和電機組成的人造“肌肉”

哥倫比亞大學(Columbia Engineering)創(chuàng)意機器實驗室(Creative Machines Lab)的研究人員一直對機器人與人類之間的互動感興趣。

面部表情在建立信任方面發(fā)揮著巨大作用,隨著機器人已經(jīng)被越來越多地用于療養(yǎng)院、醫(yī)院等與人類緊密合作的地方,相比“冷冰冰”,我們更需要靈敏、有“溫度”的機器人。

于是,研究人員花了五年時間來創(chuàng)造上面這個可以模仿人類表情、叫做 EVA的機器人。

EVA的機械設計含以下四個模塊,如下圖:

A為電機伺服模塊(motor servo module ),EVA就是由它驅動,該模塊通過底部的樹莓派4控制。“皮膚”通過尼龍繩與10個電機相連,以受到控制作出相應表情。

B為有6個轉動角度的自由度的眼睛模塊,與前顱骨分離。

C為RGB攝像機,用于人表情的隨機數(shù)據(jù)采集。

D為6自由度的頸部模塊。

機器人會模仿人類微笑了,但我總覺得這笑容……

其中,要想在機器人整個頭部設計出一個足夠緊湊的系統(tǒng)以適應人類頭骨的大小,同時仍然具有足夠的功能以產(chǎn)生各種面部表情可不容易。

里面要塞下電路、傳感器和電機(motor)等各種體積不小的玩意兒。

為此,研究人員決定用3D 打印來制造形狀復雜的零件,讓這些零件在EVA 的腦瓜里無縫地集成在一起。

EVA通過由尼龍繩和電機(cables and motors)組成的人工“肌肉”,拉動臉上的特定點,模仿人類面部皮膚和骨骼上不同部位的42多塊細小肌肉的運動,來表達憤怒、厭惡、恐懼、喜悅、悲傷和驚訝六種基本情緒,甚至更細微的表情。

“有一天,當 EVA 突然給我一個大大的、友好的微笑時,我正忙著自己的事情,我知道這純粹是機械性的,但我發(fā)現(xiàn)自己條件反射地回以微笑。”

深度學習“閱讀”人類表情,作出反應

上面的機械設計,表明EVA這個機器人在物理上具備作出各種表情的能力。那它又是如何自主完成模仿的呢?

下面就來揭開這款機器人的軟件部分。

由于人類面部表情太復雜,預先設定好的規(guī)則根本不夠隨機應變,研究人員利用幾個深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡構建了EVA的“大腦”。

這個大腦需掌握兩種能力:一是通過“閱讀”人類的臉知道自己要做哪些表情;二是能把這些表情通過控制面部“肌肉”而呈現(xiàn)出來。

為了教EVA認清自己的“臉”是什么樣子,團隊拍攝了數(shù)小時它做各種“鬼臉”的視頻。

機器人會模仿人類微笑了,但我總覺得這笑容……

眉毛也可以動~

機器人會模仿人類微笑了,但我總覺得這笑容……

然后,就像一個人類在Zoom視頻軟件里看著自己一樣,EVA的內部神經(jīng)網(wǎng)絡學會了將肌肉運動和視頻片段中自己的臉“配對”。

EVA對自己的臉是如何“運動”有了原始的感覺后,讓它將自己與攝像機拍攝的人臉表情匹配上也就不難了。

經(jīng)過多次改進和迭代,EVA終于獲得了從相機讀取人臉“姿勢”的能力,并通過模仿人類面部表情來做出反應。

整個模仿過程如下:

EVA的大腦主要有兩個神經(jīng)網(wǎng)絡:生成網(wǎng)絡和逆生成網(wǎng)絡(inverse network)。

給定一幅由普通RGB相機拍攝的人臉圖像后,系統(tǒng)首先用OpenPose提取面部標志。

OpenPose,人體姿態(tài)識別項目是美國卡耐基梅隆大學(CMU)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和監(jiān)督學習并以caffe為框架開發(fā)的開源庫。

然后將人臉面部標志標準化為機器人尺寸,將它與靜態(tài)機器人臉圖像連接到生成網(wǎng)絡,生成合成表情后的機器人圖像。

逆生成網(wǎng)絡以該圖像為基礎,輸出電機指令讓機器人執(zhí)行,最終機器人臉上浮現(xiàn)出人類表情。

機器人會模仿人類微笑了,但我總覺得這笑容……

再來看一組EVA的模仿:

發(fā)現(xiàn)EVA還會眨眼睛、扭脖子,但是從正面看的話表情還是有點僵硬。

研究人員指出,EVA 還只是一項實驗室實驗,只會模仿,也與真正和人類進行面部表情交流還相去甚遠。但他們相信這種技術終有一天會在現(xiàn)實世界中產(chǎn)生有益的應用。

該研究于 2021 年 5 月 30 日在 ICRA 會議上發(fā)表,機器人的藍圖已在 Hardware-X(2021 年 4 月)開源。

關于作者

此次EVA機器人的研究團隊主要成員一共5人,其中3名華人。

機器人軟件部分的項目領導人為Chen Boyuan,吉大本科畢業(yè),現(xiàn)哥倫比亞大學博士生,專業(yè)計算機科學與技術,研究方向:機器人、計算機視覺、機器學習。

[[403311]]

文中出鏡的小哥胡宇航 ,也是哥倫比亞大學的博士生。本科畢業(yè)于廈門大學嘉庚學院,本科期間就申請了多項國家專利,還開了公司,被稱為“科創(chuàng)達人”。

[[403312]]

Li Lianfeng, 哥倫比亞大學機器人技術與控制機械工程碩士。

[[403313]]

論文地址:https://arxiv.org/abs/2105.12724
項目網(wǎng)站:http://www.cs.columbia.edu/~bchen/aiface/

 

 

責任編輯:張燕妮 來源: 量子位
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